Dahası, kuantum teorisinin en derin ve en kapsamlı yönlerinin deneysel testlerini teşvik ederek, Bell’in çalışması, gerçekliğin doğası gibi görünüşte felsefi soruları doğrudan deneyler yoluyla keşfetme olasılığına yol açtı. Ve bu sadece Bell’in “hobisi”ydi.

Erken dönem

John Stewart Bell, 28 Temmuz 1928’de Belfast’ta doğdu. Her iki ebeveyni Annie ve John’un aileleri birkaç nesildir İrlanda’nın kuzeyinde yaşıyordu. Annie’nin ailesi aslen İskoçya’dan geliyordu ve John’un ikinci adı olan Stewart, onun aile adıydı. Aslında John, evde Stewart olarak biliniyordu ve ancak üniversiteye gittiğinde John oldu.

John Stewart, ablası Ruby ve iki küçük kardeşi David ve Robert, İrlanda (Anglikan) Kilisesi’nin sıkı üyeleri olarak yetiştirildiler. Ailede önyargıya dair hiçbir ipucu yoktu ve Annie Bell’in Katolik cemaatinde birçok arkadaşı vardı.

Bell’in ebeveynleri zeki ve canlı insanlar olarak biliniyordu ve aile çok zengin olmasa da sevgi ve ilgi asla eksik olmuyordu. Özellikle Annie Bell, çocuklara eğitimin “hafta boyunca Pazarlık kıyafetlerini giyebilecekleri” tatmin edici bir hayatın anahtarı olduğunu aşılamaya hevesliydi. Sadece John 14 yaşından çok daha uzun süre okulda kalabilmiş olsa da, David akşamları eğitim görerek kalifiye bir elektrik mühendisi oldu ve şu anda Kanada’daki Lambton Koleji’nde ders veriyor, Robert ise başarılı bir yerel iş adamı. Daha sonraki yaşamlarında hepsi anneleriyle şakalaşıp hafta boyunca Pazarlık kıyafetlerini giyebileceklerini söyleyebildiler, ancak John bunu nadiren yaptı!

John, ilk okulları olan Ulsterville Avenue ve Fane Street’te olağanüstü bir gelecek vaat etti ve ayrıca Belfast’taki halk kütüphanesini de doymak bilmez bir şekilde kullandı. Gerçekten de, büyük miktarda bilgi toplama eğilimi nedeniyle evde “Prof” olarak biliniyordu ve daha sonra bunları özgürce açıklıyordu. John, 11 yaşındayken annesine bilim insanı olmak istediğini duyurdu.

John 11 yaşındayken “yeterlilik sınavında” son derece başarılı olsa da, ailesi onu Belfast’ın daha prestijli okullarından herhangi birine gönderecek paraya sahip değildi. Ancak, John’un dört yıl boyunca Belfast Teknik Lisesi’ne gitmesi için para bulundu. Bu muhtemelen onun için idealdi, çünkü keyif aldığı pratik dersler, üniversiteye giriş için yeterlilik kazanmasını sağlayan tam bir akademik müfredatla birleştirilmişti.

Ancak 16 yaşındayken Bell, yerel üniversite olan Queen’s’e kabul için gereken asgari yaştan bir yaş küçüktü. Bunun yerine 1944’te Queen’s’deki fizik bölümüne öğretim laboratuvarında teknisyen olarak girdi ve burada öğretim kadrosunu, Profesör Karl Emeleus ve Dr. Robert Sloane’u çok etkiledi. Gerçekten de Emeleus ve Sloane, John’a kitap ödünç verdiler ve teknisyen olarak çalışırken birinci sınıf derslerine katılmasına izin verdiler. Bu yılki maaşından tasarruf ederek ve diğer kaynaklardan aldığı yardımla Bell, 1945’te üniversiteye öğrenci olarak girebildi. Performansı olağanüstüydü ve 1948’de deneysel fizikte birinci sınıf onur derecesiyle mezun oldu.

Bell özellikle teorik fizikle ilgileniyordu ve bir yıl sonra ikinci kez mezun olabildi ve 1949’da matematiksel fizikte birinci oldu. Bu alandaki öğretmeni, X-ışını kristalografisinin kurucularından biri olarak ünlenen ve Naziler tarafından Almanya’dan kovulan ve 1939’dan beri Belfast’ta yaşayan Peter Paul Ewald’dı. Bell, Ewald ile akademik bir bakış açısıyla ve resmiyet eksikliği nedeniyle iletişim kurmaktan keyif alıyordu.

Bell, Queen’in kuantum teorisini, zaten ilgi duyduğu bir konu olan, öğretme biçiminden pek memnun değildi. Temeller üzerine iyi bir ders olmasına rağmen, sonraki dersler kuantum teorisini atomlara uygulamaya yoğunlaşırken, Bell teorinin daha felsefi yönlerini de incelemek istiyordu. Özellikle, Heisenberg ilkesinin açıklamasının onu doğası gereği oldukça öznel gösterdiğini söyleyen Sloane ile çatıştı; bu o günlerde alışılmadık bir durum değildi.

Geriye dönüp bakıldığında Sloane, Bell’in kuantum teorisine ilişkin standartlarına uymadığı için kendini suçlu hissetmemeli; önümüzdeki 40 yıl boyunca birçok kişi de onu takip edecekti.

Kariyer: Parçacıklar ve hızlandırıcılar

1949’da mezun olduktan sonra Bell, Harwell’deki Birleşik Krallık Atom Enerjisi Araştırma Kuruluşu’na (AERE) katıldı, ancak kısa süre sonra Malvern’deki hızlandırıcı tasarım grubuna geçti. Öğrenci hayatının finansal sıkıntılarından sonra, kadrolu bir pozisyona ve mütevazı da olsa istikrarlı bir gelire sahip olmak hoş olmalı. Bir motosiklet satın aldı, ancak bunu sürerken geçirdiği kötü bir kaza ağzının etrafında derin bir kesiğe ve dolayısıyla meşhur sakalına yol açtı.

Bu dönemdeki önemli bir olay, Glasgow’dan matematik ve fizik alanında aldığı dereceyle hızlandırıcı tasarım grubuna katılan gelecekteki eşi Mary Ross ile tanışmasıydı. 1954’te evlendiler ve birlikte uzun ve mutlu bir hayat geçirdiler, hatta ortak makaleler bile yazdılar. John’un makalelerinden bazıları 1987’de Kuantum Mekaniğinde Konuşulabilir ve Konuşulamaz olarak toplandığında (daha fazla bilgi için bkz.), önsözü şu sözlerle bitirdi: “Burada Mary Bell’e özellikle sıcak teşekkürlerimi yineliyorum. Bu makalelere tekrar baktığımda onu her yerde görüyorum.”

Bell’in 1953’e kadarki çalışmaları, yüklü parçacıkların hızlandırıcılar boyunca izlediği yolları modellemekten oluşuyordu. Bilgisayarların faydası olmadan, çalışma, mekanik bir hesap makinesinde sorunun çözülmesine olanak verecek yeterli yaklaşımlar yaparken önemli fiziği koruma becerisiyle birlikte, fiziksel prensiplerin kapsamlı bir şekilde bilinmesini gerektiriyordu. Bell’in, Mary ile işbirliği içinde hazırlanan bir dizi AERE raporunda üretilen çalışması mükemmeldi.

Bu, eksenel ve radyal odaklamanın hızlandırılan ışına ayrı ayrı uygulandığı “güçlü odaklama”nın keşfinin, bir sonraki nesil senkrotronlara yol açtığı dönemdi. Bell’in sayısal hesaplamaları, güçlü odaklama ilkesinin işaretlerini göstermişti ve 1952’de resmen kurulduğunda, hızla uzman oldu ve Cenevre’deki CERN’de Proton Senkrotronu tasarlayan ekibin danışmanı olarak görev yaptı.

Hızlandırıcı tasarım grubu 1951’de Malvern’den Harwell’e taşındı. Aynı yıl Bell, Birmingham Üniversitesi’nde teorik fizik profesörü olan Rudolf Peierls ile çalışmak için bir yıllık izin teklif edildiğinden çok memnun oldu. Bell, Birmingham’da kuantum alan teorisinin önemli CPT teoremini keşfetti. CPT teoremi, yük eşlenikliğinin (bir parçacığın antiparçacığıyla değiştirilmesi), parite tersine çevrilmesinin (bir aynadaki yansıma) ve zaman tersine çevrilmesinin birleşik işleminin, sistemi değişmeden bırakan bir simetri işlemi olduğunu belirtir. Bu, örneğin parçacıkların ve antiparçacıkların eşit kütlelere sahip olması gerektiğini kanıtlayan temel bir teoremdir. Ne yazık ki Gerhard Lüders ve Wolfgang Pauli aynı anda benzer çalışmalar yaptılar ve genellikle Lüders-Pauli teoremi olarak adlandırılan şeyin tüm itibarını aldılar. Ancak Bell, itibarını olması gereken yerde inşa etti ve 1954’te Harwell’e döndüğünde temel parçacık fiziği üzerinde çalışmak üzere kurulan bir gruba katıldı ve 1956’da doktorasını aldı. Ancak, sonraki yıllarda o ve Mary, Harwell’in temel çalışmalardan uzaklaştığından endişe etmeye başladılar ve 1960’ta kariyerlerinin geri kalanını geçirdikleri CERN’e taşındılar.

Bell, 1955 ile 1984 yılları arasında nükleer fizik ve çok gövdeli fizik de dahil olmak üzere yüksek enerji fiziği ve alan teorisi genel alanında yaklaşık 80 makale yayınladı. Bazı çalışmalar doğrudan CERN’deki deneylerle ilgiliydi; örneğin Bell, 1963’te orada gerçekleştirilen ilk nötrino deneylerinin analiz edilmesine yardımcı oldu. Ancak çalışmaların çoğu teorik konuları ele aldı.

Bell’in bu alandaki en ünlü makalesi – 1969’da Roman Jackiw ile Il Nuovo Cimento’da yayınlanmış ve diğer makalelerinden daha fazla atıfta bulunulmuştur – Stephen Adler tarafından bir dereceye kadar açıklığa kavuşturulan Bell-Jackiw-Adler anomalisinin keşfiydi. O zamanlar teori, nötr piyonun iki fotona bozunamayacağını öngörüyordu, ancak bu deneylerde gözlemlenmişti. Bell, Jackiw ve Adler, kuantum alan teorisinin sapmalarından kaynaklanan “anormal” bir terim ekleyerek gözlemlenen bozunmaları teorik olarak açıklayabildiler. “Anormalliğin” deneyle uyuşmasının koşulu, temel fermiyonların yüklerinin toplamının sıfır olmasıydı. Bu, kuarkların üç renkte geldiği fikrini destekledi ve artık yaygın olarak kabul gören Standart Modelin bir parçası oldu. (Temel fermiyonların ilk ailesi, -1 yükü olan elektrondan; yükü olmayan nötrinodan; ve sırasıyla 2/3 ve –1/3 yüke sahip olan yukarı ve aşağı kuarkların üç renginden oluşur. Eğer kuarklar sadece bir renkte olsaydı, o zaman yüklerin toplamı sıfır değil –2/3 olurdu.)

Bir diğer önemli makale, Bell’in 1967’de zayıf etkileşimlerin bir gösterge teorisi kullanılarak tanımlanması gerektiği yönündeki argümanıydı. (Gösterge teorileri gösterge simetrilerine sahiptir: bu simetriler, elektrik yükü ve kuark rengi gibi niceliklerin hem yerel hem de küresel olarak korunduğu fikriyle bağlantılıdır.) Bu öneri, araştırma öğrencisi Gerard ‘t Hooft’un daha sonra bu gösterge teorisindeki istenmeyen sonsuzlukların kaldırılabileceğini veya “yeniden normalleştirilebileceğini” gösterdiği işbirlikçisi Martinus Veltman tarafından benimsendi. Bu da zayıf nükleer kuvveti taşıyan ve şu anda W ve Z bozonları olarak bilinen parçacıklara kütle kazandırdı. Parçacık fiziğinin Standart Modeli gösterge teorilerine dayanmaktadır.

1980’lerde Bell, hızlandırıcı tasarımına geri döndü ve eşiyle birlikte elektron soğuması, radyasyon sönümlenmesi ve kuantum bremsstrahlung üzerine makaleler yazdı. Bu makaleler arasında, Hawking radyasyonunu bir hızlandırıcı ışınındaki elektronların ısınmasıyla ilişkilendirdiği teorik bir ustalık gösterisi de vardı.

Kuantum arka planı

En yüksek prensiplere sahip bir adam olarak Bell, CERN’in kendisine ödeme yaptığı hızlandırıcı ve parçacık fiziği çalışmalarına her türlü çabayı gösterdi. Öte yandan kuantum teorisi onun hobisi, belki de takıntısıydı. Ve onu ünlü yapacak olan kuantum teorisiydi.

Bell, öğrencilik günlerinden itibaren teori ve fiziksel evrenin doğası üzerindeki etkileriyle büyülenmişti. Bu etkilerin birçoğu 1920’lerde ve 1930’larda Bohr ve Einstein tarafından tartışılmıştı (daha fazla bilgi için Whitaker’a bakın). Teorinin doğuşundan itibaren, sistemin var olan tek özelliklerinin dalga fonksiyonunda örtük olanlar olması durumunda, kesin klasik değerlere sahip birçok özelliğin belirli bir zamanda kuantum değerlerine sahip olmadığı açıktı. En ünlü örnek Heisenberg belirsizlik ilkesiydi: eğer bir parçacığın kesin bir konum değeri varsa, o zaman momentumu bir değere sahip olamaz. Benzer şekilde, bir spin-1/2 parçacığı z yönünde bir spin değerine sahipse, s _z , o zaman ne x ne de y yönünde spin değerlerine sahip değildir. Bu, parçacığın bu tür değerlere sahip olabileceğini ancak bunları bilmediğimizi veya bilemeyeceğimizi söylemekten çok daha güçlü bir ifadedir. Fizikçiler bu özelliğe sıklıkla gerçekçilik eksikliği adını verirler, ancak filozoflar aynı sözcüğü daha genel bir şekilde tanımlayabilirler.

Dahası, ölçümün kuantum teorisinde çok özel bir rolü vardır: diyelim ki x yönündeki spini, s _x , ölçersek, daha önceden kesin bir değer olmasa bile, bu nicelik için kesin bir değer elde etmemiz gerekir. s _x için iki olası sonuç veya “özdeğer” vardır : + hw/2 , bir kuantum “öz durumu” a ₊ ile ilişkilidir ve – hw/2 , a _– öz durumu ile ilişkilidir . Sistemi tanımlayan başlangıç ​​durum vektörü y ₀ , a ₊ veya a _– ise bir ölçümün sonucunu tahmin edebiliriz : eğer y ₀ = a _{+ ise sonuç +} hw/2 olacak ve eğer y ₀ = a _{– ise} sonuç – hw/2 olacaktır .

Ancak genel olarak durum vektörü her iki özdurumun doğrusal bir bileşimi olacaktır: y = c ₊ a ₊ + c _– a _– , burada c ₊ ve c _– karmaşık sabitlerdir ve c ₊ ² + c _– ² = 1’dir. Bu durumda, hala özdeğerlerden birini veya diğerini elde etmek zorundayız, ancak hangisini elde ettiğimiz kesin değildir. Born’un varsayımı, + hw/2 ve – hw/2 elde etme olasılıklarının sırasıyla c ₊ ² ve c _– ² olduğunu söyler. Dolayısıyla, özdeş başlangıç ​​koşullarının (örneğin özdeş durum vektörlerinin) zamanla her zaman aynı şekilde evrimleşmesi gerektiğini öne süren uzun süredir benimsenen determinizm ilkesi artık geçerli değildir.

Ölçüme en yaygın yaklaşım von Neumann’ın çöküş varsayımıdır: örneğin, ölçümde + hw/2 sonucu elde edilirse, durum vektörü o anda karşılık gelen özduruma, a ₊ çöker ve aynı niceliğin başka bir ölçümü yine + hw/2 sonucunu verir . Şema pragmatik olarak iyi çalışır ancak von Neumann’ın da kabul ettiği gibi, çöküş süreci Schrödinger denklemi tarafından tanımlanan durumun normal evriminden matematiksel olarak farklıdır. Bununla birlikte, ölçüm sadece geleneksel bir fiziksel süreç olduğundan, Schrödinger denklemi tarafından yönetilmelidir.

Dahası, Einstein için çöküş postülası yukarıda tanımlanandan daha da kötücül bir gerçekçilikten geri çekilmeydi: fiziksel niceliklerin genellikle gözlemlenene kadar hiçbir değerlerinin olmadığı ve bu nedenle gözlemcinin gözlemlenen fiziğe içsel olarak dahil olması gerektiği anlamına geliyordu. Bu, bir gözlemcinin yokluğunda gerçek bir dünya olmayabileceğini öne sürüyor!

Gizli değişkenleri girin

Gerçekçiliği ve determinizmi yeniden tesis etmenin bariz bir yolu, sistemin mümkün olan en eksiksiz tanımını sağlamak için dalga fonksiyonuna “gizli değişkenler” eklemekti. Bu gizli değişkenler, örneğin, her zaman spinin tüm bileşenleri için değerler sağlayabilir ve böylece bir ölçümde + hw/2 veya – hw/2 sonucunun elde edilip edilmediğini belirleyebilirdi. Ancak Bohr ve Heisenberg, kuantum teorisinin gizli değişkenlerle tamamlanamayacağına ikna olmuşlardı. Bu nedenle, 1932’de von Neumann’ın gizli değişkenlerin kuantum teorisine uygulanmasının gerçekten imkansız olduğunu kanıtladığını iddia ettiğinde memnun oldular. Bu, 30 yıldan uzun süre kabul görmüş bir bilgelik olarak kalacaktı.

Kuantum ölçümünün sorunlarına kavramsal bir yaklaşım 1920’lerde Bohr tarafından sağlandı. Bohr’un başlangıç ​​noktası, bir ölçümün sonuçlarının klasik olarak ifade edilmesi gerektiğiydi; fizikçilerin aparatları ayarlayabileceği, işaretçileri okuyabileceği vb. her deneyin klasik bir bölgesi olması gerekirdi. Ve (gizli değişkenlerin yokluğunda) bir kuantum bölgesi de olması gerektiğinden, o zaman iki bölge arasında bir “kesim” de olmalıdır. Bu kesimin konumu, önemli ölçüde keyfi olacaktır.

Kesitin keyfi konumu, Bohr’un bütünlük dediği şeyi ima eder. Gözlemlenen nesne ve ölçüm aygıtı ayrı olarak kabul edilemez – ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdırlar. Bu nedenle ölçüm, aygıt tarafından gözlenen sistemin önceden var olan bir özelliğinin değerinin pasif bir kaydı değildir . Aksine ölçüm, tüm deneysel kurulumu içeren fiziksel bir prosedürdür. Bu nedenle, diyelim ki s _z ve s _x değerleri basit bir şekilde birleştirilemez, çünkü bu iki niceliği ölçmek için tamamen farklı deneysel düzenlemeler gerekir.

Bu, Bohr’u tamamlayıcılık çerçevesine götürdü ; buna göre belirli bir niceliğin değeri yalnızca o niceliği ölçmek için bir aygıtın mevcut olması bağlamında tartışılabilir. Farklı koşullar altında elde edilen kanıtlar basit bir resim içinde kavranamaz, ancak tamamlayıcıdır . Bu nedenle, s _x ve s _z veya x ve p _x değerleri aynı anda tartışılamaz. Tamamlayıcılık, kavramsal sorunlara yol açan durumların tartışılmasını esasen yasaklar; aslında bir şeyi açıklayıp açıklamadığı başka bir sorudur!

Bohr’un pozisyonu en azından kendi içinde tutarlıydı ve hızla “ortodoks” olarak kabul edildi. Ancak aynı zamanda gerçekçilik gibi bilimin en değer verdiği inançların çoğuyla çelişiyordu ve bilindiği üzere Einstein, Bohr ile yetersizlikleri olarak algıladığı şeyler konusunda uzun süredir tartışıyordu. Einstein’ın eleştirilerinin gerçekten eve ulaşan tek yönü, ki bunu başarması bile on yıllar aldı, 1935’teki ünlü Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) düşünce deneyi aracılığıyla dolanıklığı göstermesiydi.

EPR, ya yerellikte bir bozulma olduğunu, bir noktadan diğerine anlık bir bilgi hareketi biçiminde olduğunu (ve Einstein’ın bundan dehşete düştüğü açıktı, çünkü bu ışıktan daha hızlı iletişimi ima ediyordu) ya da kuantum teorisinin ortodoks görüşünün eksik olduğunu ve dalga fonksiyonunda örtük olanların ötesinde gerçeklik unsurlarının olduğunu savundu. EPR, kuantum teorisinin eksik olduğu sonucuna vardı, ancak Bohr onlarla kesinlikle aynı fikirde değildi. Onun cevabı, bütünlük tanımını genişletmek oldu – EPR kurulumundaki her iki spin, uzamsal olarak ayrılmış olsalar da, tek bir sistemin yönleri olarak kabul edilmelidir. Bilim camiası neredeyse oybirliğiyle Bohr’un yanında yer aldı.

John Bell’e Giriş

Bell 1940’ların sonlarında bu konularla ilgilenmeye başladığında, Bohr-Einstein tartışması konusundaki pozisyonu netti. Yıllar sonra bunu Jeremy Bernstein’a şöyle açıkladı: “Einstein’ın Bohr’a karşı entelektüel üstünlüğünün bu durumda muazzam olduğunu hissettim; neyin gerekli olduğunu açıkça gören adam ile gerici adam arasında büyük bir uçurum.” Bell daha sonra Einstein’ın bu soruda yanıldığını gösterdi, ancak bu onun amaçladığının tam tersiydi.

Bell, deterministik gizli değişkenlerin tanıtılmasının üç nedenden ötürü çok doğal olduğunu düşünüyordu. Birincisi, bir ölçüm aygıtının klasik ve kuantum bölgeleri arasındaki kesme ihtiyacını ortadan kaldırabilirdi. Yukarıda kullanılan terimlerle, gerçekçiliği geri getirebilirdi. İkinci, daha az ikna edici motivasyonu, determinizmi geri getirmekti.

Üçüncü motivasyonu özellikle EPR ile bağlantılıydı. Bell, Einstein’ın kuantum teorisinin tamamlanması çağrısını gizli değişkenlerin eklenmesi için basit bir çağrı olarak görüyordu: her spinin tüm bileşenleri her zaman kesin değerlere sahip olsaydı, yerellik için hiçbir sorun olmazdı. Bell aslında Einstein’ı yanlış anlamış olabilir – muhtemelen genel görelilik teorisine benzer şekilde çok daha büyük ölçekte bir teori umuyordu, bu da neredeyse tesadüfen kuantum teorisinin tüm sorunlarını çözecekti – ancak Bell’in önemli çalışmalarının çoğu gizli değişkenlere yönelik bu yaklaşımdan kaynaklanacaktır.

Bell kendini Einstein’ın takipçisi olarak tanımladı. Bohr’a gelince, Bell onu pratikte iki ayrı kişi olarak görüyordu. Bell, aygıtın doğası gereği klasik olması gerektiği iddiasını ve bireysel bir ölçümdeki bütünlük kavramını güçlü bir şekilde destekledi . Dahası, Bohr’un ölçüm sürecinin önceden var olan bir özelliğin basit bir keşfi olmadığı fikri, Bell’in en önemli çalışmasının önemli bir bileşeniydi ve Bohr’a bu içgörü için büyük bir kredi verdi. Ancak Bell, Bohr’un tamamlayıcılığındaki tam bir netlik eksikliği olduğunu hissettiği şeyden rahatsız oldu ve buna çelişki adını vermeyi tercih etti . Bell, Bohr’un EPR probleminin “çözümünü” tutarsız olarak gördü.

Bell’in gizli değişkenlere olan coşkusu, öğrencilik yıllarında von Neumann’ın bunların imkansızlığına dair “kanıtını” okumasıyla yumuşamıştı. Von Neumann’ın kitabının Almanca yazılmış olması ve 1955’e kadar İngilizceye çevrilmemiş olması onu hayal kırıklığına uğratmıştı. Ancak, 1952’de Bell “imkansızın gerçekleştiğini gördü”. David Bohm, çeyrek yüzyıl önce Louis de Broglie tarafından yapılan çalışmaları büyük ölçüde tekrarlayarak, gizli değişkenleri, aslında parçacık konumlarını standart kuantum teorisine ekleyebilmiş ve teorinin tamamen gerçekçi ve kesin bir versiyonunu elde edebilmişti.

Bohm, Bohr ve Einstein tarafından eşit olarak reddedilmenin garip kaderini yaşadı. Ancak Bell büyülenmişti ve uzun bir süre pilot dalga teorisi veya kuantum teorisinin nedensel yorumu olarak da bilinen de Broglie-Bohm teorisinin neredeyse tek destekçisiydi.

1953’te, ömür boyu dostu ve destekçisi olacak Rudolf Peierls, Bell’den Birmingham’da kısa bir konuşma yapmasını istedi. Bell, hızlandırıcı tasarımı veya kuantum teorisinin temelleri hakkında konuşmayı teklif etti. Ancak Peierls, kuantum teorisinin tüm sorunlarının Bohr tarafından çözüldüğünü düşünen neslin bir parçasıydı, bu yüzden Bell’den hızlandırıcılar hakkında konuşmasını istedi. Aslında, Bell’in daha yerleşik hale gelene kadar kuantum teorisi hakkındaki tartışmaya katılma cazibesine direnmesi muhtemelen iyi bir şeydi. Ancak 1963’te, yüksek enerji fiziği alanındaki “gündüz” mesleğinin zirvesine ulaşmıştı ve Kaliforniya’daki Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde bir yıl kalması ona düşünmek için zaman ve alan sağladı.

John Bell ve kuantum teorisi

Sonunda Bell, zamanının önemli bir bölümünü, uzun zamandır ilgisini çeken sorulara ayırabildi. Önce, von Neumann’ın gizli değişkenler üzerine çalışmasını Bohm’un teorisi ışığında ele aldı. Bohm’un argümanı oldukça karmaşıktı ve sonuçlarını hoş karşılamayanların hatalı olduğunu varsayması kolaydı. Bell, kendi gizli değişken modelini üreterek başladı. Oldukça basitti ve sadece bir spin-1/2 parçacığı için spinin herhangi bir bileşeninin ölçümünü kapsıyordu. Ancak asıl mesele basitliğiydi – görmezden gelinemeyecek kadar basitti.

Bell daha sonra dikkatini von Neumann’a çevirdi. Açıkça hem Bohm’un gizli değişken modeli hem de kendi modeli von Neumann’ın kanıtının aksiyomlarından birini ihlal ediyor olmalıydı ve Bell kısa sürede bunu izleyebildi. Kuantum teorisinde diyelim ki s _x’i ve sonra belirli bir spinde s _y’yi ölçüyoruz. s _x + s _y’yi ölçmüş olsaydık, iki ayrı ölçümün toplamını elde etmiş olacağımızı söylemek açıkça yanlıştır . Bohr’un bütünlük argümanı bize üç ölçümün de aparatın tamamen farklı düzenlemelerini gerektirdiğini ve sonuçları basit bir şekilde birleştiremeyeceğimizi söyler.

Ancak, esasen sistemin tüm olası durumları üzerinden s _x + s _y değerinin ortalaması olan s x + s y’nin “beklenti değeri”ni hesaplarsak, bunun _s x ve _s y’nin beklenti _{değerlerinin} toplamına eşit _olduğunu buluruz . Bu, kuantum teorisinde garip bir tesadüften biraz daha fazlası olmasına rağmen, von Neumann bu sonucu varsayımsal gizli değişken durumları için bir aksiyom olarak kullanmıştı. Bu aksiyom için hiçbir gerekçe yoktu ve ne Bohm’un ne de Bell’in gizli değişken modelleri için işe yaramadı. Ve kaldırıldığında, von Neumann’ın teoremi çöktü. Böylece Bell, kuantum teorisinin temellerinin incelenmesindeki 30 yıllık bir tıkanıklığı ortadan kaldırabildi. Başka iyi bilinen “imkansızlık teoremleri” de vardı ve Bell aynı makalede bunları da ortadan kaldırdı. Makale, Bell’in Stanford’da olduğu 1964 yılında yazılmış olmasına rağmen, 1966 yılına kadar Reviews of Modern Physics’te yayımlanmadı. (Dergi, Bell’in makalenin gözden geçirilmiş halini yanlış dosyalamıştı ve editör, Bell’e gözden geçirmeler hakkında soru sormak için mektup yazdığında, Bell çoktan CERN’e dönmüştü ve mektup iletilmedi.)

Aynı makalede Bell, gizli değişkenler teorilerinin pek de hoş karşılanmayan iki özelliğini de tartışmıştır. Birincisi bağlamsallıktır . Bu bize, önemsiz durumlar dışında, herhangi bir gizli değişken teorisinin, belirli bir gözlemlenebilirin ölçülmesinin sonucunun aynı anda hangi diğer gözlemlenebilirlerin ölçüleceğine bağlı olması gerektiğini söyler. İkincisi yerel olmamadır . Bohm’unki de dahil olmak üzere Bell’in incelediği tüm gizli değişken modelleri, belirli bir parçacığın davranışının, ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, diğerlerinin özelliklerine bağlı olması gibi tatsız bir özelliğe sahipti. EPR durumunda, bir parçacık üzerinde elde edilen ölçüm sonucu, ikinci parçacık üzerinde hangi ölçümün yapıldığına bağlı olurdu. Bell’in dediği gibi, bu, Einstein’ın en az hoşuna gidecek EPR probleminin çözümüydü ve bu anlamda Bell’in Einstein’ın yanıldığını kanıtladığı söylenebilir.

Bu iki özellik aslında birbiriyle ilişkilidir, çünkü dolanıklığın olduğu bir sistemdeki bağlamsallık, bir parçacık üzerinde yapılan ölçümün sonuçlarının, birinci parçacıktan mekânsal olarak ayrı olan ve birinci parçacığın dolanık hale geldiği ikinci parçacık üzerinde aynı anda yapılan ölçümlere bağlı olabileceğini düşündürmektedir.

Yerel olmama önerileri bir şeydi; Bell titiz bir kanıt istiyordu ve 1964’te artık yayınlanmayan bir dergi olan Fizik’te yazılıp yayınlanan ikinci büyük kuantum makalesinde bunu sunabildi . Bell, makalenin ilk taslağını Massachusetts’teki Brandeis Üniversitesi’nde kaldığı süre boyunca yazdı ve Madison’daki Wisconsin Üniversitesi’nde tamamladı.

Daha sonra vurguladığı gibi, Bell yerellikten yola çıktı ve EPR’yi izleyerek deterministik gizli değişkenlerin varlığını savundu. Ancak, EPR’nin ötesine de geçti ve deneyin her kanadında keyfi yönler boyunca spin bileşenlerinin ölçümlerini (EPR’deki gibi sadece s _z veya s _x yerine) ele aldı. Bell, ölçüm yönü deneyin bir kanadında sabit tutulduğunda ve diğerinde değiştirildiğinde ne olacağını hesapladı. Gizli değişkenler yerel olarak hareket ederse, kuantum teorisi tarafından tahmin edilen davranışın gizli değişken teorisi tarafından kopyalanamayacağını gösterebildi.

Daha sonra Bell ve diğerleri tarafından gösterildiği gibi, yerel gerçekçi teoriler (yani gizli değişkenleri olan teoriler) Bell eşitsizliği adı verilen bir eşitsizliği tatmin eder. Bu, aygıtın iki kanadında kaydedilen sinyallerin ortak olasılık yoğunlukları arasındaki ilişki üzerindeki bir kısıtlamadır; her kanatta iki ayar olmasıyla elde edilebilecek dört ayrı durumu içerir. Öte yandan kuantum teorisi Bell eşitsizliğine uymaz. Bu şekilde Bell, deneysel felsefenin, deneylerde normalde felsefi konular olarak düşünülen şeylerin incelenmesinin olasılığını açmıştı. Bu deneyler yalnızca kuantum teorisinin en derin ve en kapsamlı yönlerini araştırmakla kalmaz, aynı zamanda evrenin temel doğası hakkında da bilgi sağlar. Kaliforniya’daki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan Henry Stapp daha sonra Bell’in kuantum teorisi hakkındaki çalışmasını “bilimin en derin keşfi” olarak adlandıracaktı. Bell’in bu alandaki çalışması, hızla büyüyen kuantum bilgisi alanı üzerinde de büyük bir etkiye sahiptir (bkz. Fizik Dünyası Mart 1998).

Eşitsizlikten sonra

Son 30 yılda çok sayıda Bell eşitsizliği deneyi yapıldı, en ünlüsü Alain Aspect ve Orsay’daki çalışma arkadaşları tarafından yapıldı. Bu deneylerde, uyarılmış bir atom durumundan bir basamakta foton çiftleri yayılır ve polarizasyonları farklı eksenler boyunca ölçülür. Daha yakın tarihli deneylerde doğrusal olmayan optik kristaller tarafından yayılan dolanık foton çiftleri kullanıldı. Bu deneylerde fotonun polarizasyonu EPR–Bohm–Bell kurulumunda spin rolünü oynar. Ancak, deneylerde kullanılan dedektörlerin düşük verimliliği, Bell eşitsizliğini test etmek için ek varsayımların (esas olarak algılanan fotonların toplam akının adil bir örneği olduğu varsayımı) yapılması gerektiği anlamına gelir. Bu varsayımlar yapılırsa, sonuçların yerel gerçekçi teorileri dışladığı ve kuantum tahminleriyle iyi bir uyum içinde olduğu görülür. Çoğu fizikçi artık kuantum teorisinin doğru olduğunu ve yerel gerçekçiliğin terk edilmesi gerektiğini kabul ediyor.

Ancak, genellikle gerçekçiler olarak bilinen diğer fizikçiler buna şiddetle karşı çıkıyor. Deneylerdeki ek varsayımları sorguluyorlar ve “tespit açığının” ciddiye alınması konusunda ısrar ediyorlar (daha fazla okuma için Selleri’ye bakın). Parçacıklar fotonlardan daha kolay tespit edilir ve f -mezon bozunmalarında üretilen kaonların ölçümleriyle tespit açığını kapatmak mümkün olacaktır. Bu tür deneyler , geçen yıl İtalya’nın Frascati kentinde açılan ” f -fabrika” için planlanıyor .

Bell’in kendisi, özel göreliliğe göre, Aspect deneyinde gösterilen yerel olmayan (ışıktan daha hızlı) etkinin, eşit statüdeki diğer eylemsiz referans çerçevelerinde zamanda geriye doğru yayılmayı içerebileceğinden endişe ediyordu. Bu soruna “en ucuz çözüm” dediği şey, bir eterin tutulduğu Lorentz (yani Einstein öncesi) görelilik yaklaşımına geri dönmekti. Başka bir deyişle, gerçek bir nedensel dizinin tanımlanabileceği tercih edilen bir referans çerçevesi vardır (Bell’in The Ghost in the Atom’a katkısına daha fazla okumak için bakın). Diğer çerçevelerde zamanda geriye doğru yayılma daha sonra “gerçek dışı” veya “görünür” olarak reddedilebilir. Ancak daha genel olarak, Bell şu anda sahip olduğumuz teorilerden daha iyi teoriler umuyordu ve kuantum teorisinin mevcut versiyonunun geçici bir çare olmaktan öte olmadığında ısrar ediyordu.

1980’lerde Bell’in kuantum teorisi üzerine çalışmaları, kuantum ölçümüne ilişkin ortodoks görüşün eleştirileri ve bu görüşün değiştirilmesine yönelik öneriler üzerine yoğunlaşmıştı. 1987 Schrödinger konferansında, dalga fonksiyonunun çöküşünün keyfi ve yapay bir düzenek olmadığı, ancak standart Schrödinger denkleminin doğrusal olmayan bir değişikliğinde kesin, ancak olasılıkçı bir terimle temsil edildiği 1985 tarihli Ghirardi, Rimini ve Weber (GRW) teorisini ünlü bir şekilde savundu. Çökme, makroskobik boyuttaki sistemler için çok hızlı gerçekleşirdi, ancak hızı sistemin boyutuyla birlikte azalır ve atom ölçeğinde ihmal edilebilir hale gelirdi.

1990’da Physics World’de (Ağustos ss33–40) yayınlanan “Against ‘measurement'” adlı saldırgan bir makalede Bell, von Neumann çöküş prosedürünü ve “ölçüm” fikrinin kendisini “temel bir terim” olarak sert bir şekilde eleştirdi. Ayrıca, daha karmaşık olsalar da Bell’in görüşüne göre daha az yapmacık olmayan diğer yaklaşımları da reddetti. Bir kez daha Bohm’u ve GRW teorisini savundu.

İnsaniyeti

John Bell, onu tanıyan herkes tarafından tam bir dürüstlük ve büyük bir cömertlik sahibi bir adam olarak büyük saygı görüyordu. Mütevazı ve alçakgönüllüydü, hoş bir şekilde şakacı bir mizah anlayışı vardı – en dikkat çekeni, EPR probleminin en yakın iş arkadaşlarından biri olan Reinhold Bertlmann’ın eşleşmeyen çoraplarıyla benzetilerek açıklandığı “Bertlmann’ın çorapları” makalesinde sergileniyordu. Bell ve karısı uzun süredir vejetaryendi ve Schrödinger’in kedi paradoksu versiyonunda, kedinin iki hali ölü veya diri olmaktan ziyade aç olmak veya aç olmamaktır.

Bell, 1972’de Royal Society Üyesi oldu ve birçok ödül almasına rağmen, olağanüstü başarılarının doğası tam olarak anlaşılana kadar uzun yıllar boyunca ödül alamadı. Gerçekten de, 1987 ile 1989 yılları arasında Royal Society’nin Hughes Madalyası, Fizik Enstitüsü’nün Dirac Madalyası ve Amerikan Fizik Derneği’nin Heineman Ödülü’ne layık görüldü. Ve 1988’de hem Belfast Kraliçe Üniversitesi’nden hem de Dublin Trinity College’dan fahri dereceler aldı. Nobel ödülüne aday gösterildi ve daha uzun yaşasaydı, bunu çok iyi alabilirdi.

1988’de İngiliz Derneği’ne ders vermek için Belfast’a bir ziyaret daha yaptı. Ancak Bell, öğretim laboratuvarındaki ilk günlerini hatırladı ve 40 yıldan fazla bir süre önce teknisyen olarak birlikte çalıştığı Reggie Scott’ın, dünyada yollarını bulan iki genç adam oldukları eski günler hakkında bir hikaye anlatmak için toplanan ileri gelenleri terk ettiğini gördü.

Ne yazık ki, herkesin umduğundan çok daha yakındı. 1 Ekim 1990’da John Bell aniden felç geçirerek öldü. Bu elbette aile ve arkadaşları için korkunç bir trajediydi, ancak onu esas olarak çalışmalarından ve itibarından tanıyan herkes için de büyük bir üzüntüye neden oldu. Son sekiz yılda tanınırlığının daha da artması ve artık onun gerçekten büyük bilim insanları arasında yer aldığının tartışmasız olması biraz teselli kaynağı olabilir.

Daha fazlasını okuyun

J S Bell 1987 Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics (Cambridge University Press). This book contains most of Bell’s quantum papers

J S Bell 1995 Quantum Mechanics, High Energy Physics and Accelerators (World Scientific, Singapore). This book, edited by M Bell, K Gottfried and M Veltman, contains many papers by Bell on these three topics

J Bernstein 1991 Quantum Profiles (Princeton University Press). Bernstein interviewed Bell extensively and his profile of Bell contains a lot of material on Bell’s early years

P C W Davies and J R Brown (ed) 1986 The Ghost in the Atom (Cambridge University Press)

F Selleri 1990 Quantum Paradoxes and Physical Reality (Kluwer, Dordrecht)

A Whitaker 1996 Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma (Cambridge University Press)

Recent Physics World articles related to Bell’s work on quantum theory include: C Jack “Sherlock Holmes investigates the EPR paradox” April 1995 pp39-42; D Greenberger and A Zeilinger “Quantum theory: still crazy after all these years” September 1995 pp33-38; A Zeilinger “Fundamentals of quantum information” March 1998 pp35–40